יסודות מחוללים תרמואלקטריים

למדנו בפיזיקה שאנרגיה לא יכולה להיווצר או להיהרס, היא‏ רק משנה צורה. רעיון זה, הנקרא חוק שימור האנרגיה, דוחף מהנדסים למצוא דרכים להמיר אנרגיה לצורות שהן שימושיות יותר.

דוגמה טובה לכך היא ייצור תרמואלקטרי, שהופך חום ישירות לחשמל. תופעה זו, שהתגלתה לראשונה על ידי Thomas Seebeck והנקראת עכשיו תופעת‏ Seebeck, משמשת בהתקנים הנקראים מחוללים תרמואלקטריים (TEGs‏). התקני מצב-מוצק אלה לא ראו התקדמות רבה של העולם-האמיתי עד המאה ה-20, עם הופעת הגרסאות המסחריות הראשונות בשנות ה-60. מאז, מחוללי TEG‏ מצאו את דרכם בסוגים שונים רבים של‏ יישומים.

יסודות מודול TEG

מודולי מחולל תרמואלקטרי (נקראים בדרך כלל TEGs‏) עובדים על ידי הפיכת הפרשי טמפרטורה למתח חשמלי, או להיפך. התנהגות זו, הידועה כתופעה התרמואלקטרית, כוללת שלושה חלקים קשורים: תופעת Seebeck, שמחוללת חשמל מגרדיינט‏ טמפרטורה; תופעת Peltier, שבה חום נספג או משתחרר כאשר זרם זורם דרך שני חומרים שונים; ותופעת Thomson, שבה חום מופק או נספג בהתאם לכיוון הזרם.

נקודת בלבול נפוצה בטכנולוגיה תרמואלקטרית היא ההבדל בין מחוללים תרמואלקטריים (TEGs‏) ומצננים תרמואלקטריים (TECs). מחוללי TEG‏ רותמים את תופעת Seebeck להפקת חשמל מחום, בעוד מצנני TEC משתמשים בתופעת Peltier כדי לספק קירור או לשמור על טמפרטורות יציבות. שניהם מסתמכים על חומרים דומים של מוליך למחצה אך התכן שלהם שונה: מחוללי TEG‏ בנויים להבדלי טמפרטורה גבוהים ונצילות הספק יציאה, בעוד מצנני TEC ממוטבים להעברת חום תוך שימוש בחומרים כמו קרמיקה ונחושת.

למעשה, אם המטרה היא הפקת אנרגיה מחום, מודול‏ TEG‏ הוא הבחירה הנכונה. לקירור או ייצוב טמפרטורה, מצנן‏ TEC—או מודול Peltier—אפקטיבי יותר. Same Sky מציעה את שניהם, מודולי TEG ומודולי Peltier, מה שמקל על התאמת ההתקן הנכון לצרכי התכנון.

במחולל תרמואלקטרי (TEG‏) מודרני, חשמל נוצר כשקיים‏ הפרש טמפרטורה בין הצד החם לצד הקר שלו. בתוך המודול, זוגות מרובים של מוליכים למחצה מסוג N‏ ומסוג P‏—לעיתים קרובות עשויים מביסמוט טלורייד—ממוקמים בין שני לוחות (איור 1‏). בחומרים מסוג N, אלקטרונים זורמים מהצד החם בכיוון הצד הקר, בעוד בחומרים מסוג P, התנועה היא של חורים (העדרות אלקטרונים) הנעים באותו אופן. יחדיו, זרמים אלה יוצרים‏ מתח, וככל שגדול יותר הפרש הטמפרטורה, גדולה יותר היציאה.

מחוללי TEG‏ הם בעלי ערך רב במיוחד במצבים שבהם אחרת חום היה מתבזבז, כמו פעולות תעשייתיות שבהן הם עוזרים להחזיר אנרגיה שאבדה. הם גם משרתים בסביבות מרוחקות או קיצוניות. לדוגמה, הזנת חלליות מחקר לא מאוישות על ידי המרת החום מפריקה רדיואקטיבית לחשמל כשאור השמש‏ אינו מספיק.

איור 1: המבנה הכללי של מודול TEG. (מקור תמונה: Same Sky)

יתרונות וחסרונות של מחוללי‏ TEG‏

היתרון העיקרי של מודולי מחולל תרמואלקטרי (TEG‏) הוא יכולתם להפוך חום מבוזבז לחשמל שמיש, ובכך לעזור ללכוד אנרגיה שאחרת הייתה הולכת לאיבוד. זה הופך אותם לא רק למעשיים אלא גם לידידותיים לסביבה.

מאחר ומחוללי TEG‏ הם התקני מצב-מוצק, אין להם חלקים נעים—כלומר, הם שקטים, עמידים ודורשים תחזוקה מועטה או לא דורשים בכלל. גורם הצורה הקומפקטי שלהם מאפשר להם להתאים בחללים צרים, ועם אפשרויות זמינות על פני מגוון מתחים וזרמים, הם יכולים לספק הספקת-כוח אמינה מבלי להסתמך על רשת חשמל מסורתית. זה הופך מחוללי TEG‏ לאידיאליים עבור התקנות מרוחקות או לחלופות יעילות עבור מערכות מבוססות סוללה.

למרות שמחוללים תרמואלקטריים (TEGs‏) מספקים מקור אמין‏ של כוח חשמלי, הם באים עם מגבלות תכנון. ביצועיהם תלויים במידה רבה בהפרש טמפרטורה משמעותי, שמגביל אותם ליישומים מסוימים היכן שקיימים גרדיינטים של חום. נוסף לכך, מחוללי TEG‏ עובדים באופן כללי בנצילויות המרה נמוכות יחסית, לרוב סביב 10%, שהיא צנועה בהשוואה לטכנולוגיות מחוללות אנרגיה רבות אחרות.

קריטריונים חשובים בבחירת מחולל TEG‏

כשמשלבים מודולי מחולל תרמואלקטרי (TEG‏) במערכת, חשוב לשקול מפרטים עיקריים המשפיעים ישירות על ביצועים. הגורם הקריטי ביותר בעבודה הוא הפרש‏ הטמפרטורה בין הצד החם והצד הקר (בדרך כלל נקרא ΔT). בעוד זה קובע כמה כוח TEG‏ יכול לחולל, זה לא תמיד מוצג בגליונות נתונים. במקום זה, יצרנים רושמים בדרך כלל Tmax, טמפרטורת העבודה המקסימלית הבטוחה, שמסייעת להגדיר מגבלות אך לא בהכרח את תנאי העבודה הטובים ביותר.

מפרטים שימושיים נוספים כוללים מתח מעגל-פתוח, מתח עומס-מתואם, זרם, התנגדות והספק. ערכים אלה מספקים תובנה לגבי ביצועי ההתקן תחת עומסים תרמיים וחשמליים בפועל. גיליונות נתונים, כגון אלה מ-Same Sky, בדרך כלל מציגים מידע זה בטבלאות (איור 2‏) וגרפים של ביצועים (איור 3‏) כדי להקל על תכנון ברמת מערכת.

איור 2‏: טבלת מפרטי TEG‏ מגיליון נתונים של Same Sky. (מקור תמונה: Same Sky)

גרפים של ביצועים מתווים יציאות חשמליות כנגד טמפרטורת הצד החם (T_h) ותנאי הצד הקר המתאימים. הגרפים הנפוצים כוללים:

• מתח מעגל-פתוח כפונקציה של T_h – מציג את המתח המקסימלי ללא עומס
• התנגדות עומס-מתואם כפונקציה של T_h – מציין את ההתנגדות הפנימית ב-ΔT נתון
• מתח עומס-מתואם כפונקציה של T_h – מציג מתח יציאה כשההתקן תחת עומס
• זרם עומס-מתואם כפונקציה של T_h – מראה את הזרם המסופק תחת עומס
• הספק יציאה עומס-מתואם כפונקציה של T_h – מייצג את ההספק השמיש שנוצר, שניתן לגזור גם ממתח וזרם באמצעות חוק אוהם (Ohm)

גרפים אלה מאפשרים למהנדסים לזהות נקודות ביצועי שיא, בדרך כלל בהתנגדות העומס האופטימלית, ולהבין כיצד משתנה הנצילות בתנאים תרמיים וחשמליים שונים. על ידי לימוד גרפים אלה, מתכננים יכולים להתאים טוב יותר TEG ליישום שלהם, להשוות מודולים שונים, או לפתור בעיות ביצועים במערכת אמיתית.

איור 3‏: גרפים אופייניים של ביצועי TEG‏ עם טמפרטורות צד חם על ציר ה-X‏, עקומות ביצועים שונות של טמפרטורות צד קר, והמדד המנותח על ציר ה-Y. (מקור תמונה: Same Sky)

כדי לבחור את המחולל התרמואלקטרי (TEG‏) הנכון, מתכנן מזהה תחילה את הטמפרטורות הצפויות בצד החם ובצד הקר. עם ערכים אלה, ניתן להשתמש בשרטוטי המתח, הזרם, ההספק וההתנגדות של עומס מתואם בגליון הנתונים כדי להעריך ביצועים. לדוגמה, מודול SPG176-56 של Same Sky מייצר ב-‏T_h=200°C ו-T_c=30°C בערך ‎5.9 V,‏ ‎1.553 A‏ ו-‎9.16 W הספק עם‏ התנגדות קרובה ל-‎3.8 Ω. ערכים אלה ניתן לאסוף מכל גרף ביצועים על ידי העברת קו אנכי מ-‏T_h=200°C על ציר ה-X עד שחותך את עקומת T_c=30°C. מנקודה זו, שרטט קו אופקי עד ציר ה-Y‏ כדי לקבל את התפוקה הצפויה. שוב, מאחר ומחוללי TEG‏ מתנהגים לפי חוק אוהם (Ohm), כל צירוף של הגרפים ושימוש בנוסחת ההספק יכולים לתת למתכנן את התפוקה הצפויה מה-TEG.

באופן מעשי, תהליך זה הוא‏ פשוט תחת תנאים אידיאליים, אבל לעתים קרובות מתכננים צריכים לעשות התאמות עבור הפרשי טמפרטורה פחות ממושלמים או אי-תאומי עומס על ידי שימוש באינטרפולציה בין עקומות הביצועים.

סיכום

מחוללים תרמואלקטריים (TEGs) הם בעלי ערך רב ביישומים בהם נדרשת הספקת-כוח מרוחקת או היכן שהשבת אנרגיה יכולה להגביר את יעילות המערכת הכוללת. באופן כללי, הם זמינים בשתי צורות: מחוללי TEG גדולים‏, המסוגלים‏ לספק מספר וואטים ועד מאות וואטים עבור מטרות תעשייתיות, ומחוללי TEG‏ מיקרו, שמספקים ממספר וואטים מטה עד מילי-וואטים עבור צרכים בקנה מידה קטן יותר. השימושים הנוכחיים משתרעים על פני מגוון רחב של תחומים, כולל התקני צריכה כמו התקנים לבישים, חלליות מחקר לא מאוישות ומערכות תעופה-וחלל, השבת אנרגיית חום תעשייתית מבוזבזת, המרת אנרגיה סולארית, חיישני IoT‏, מנועי רכב, אלקטרוניקה תעשייתית, ציוד HVAC, התקני ניטור רפואיים, מערכות צבאיות, מכשירים מדעיים ותשתיות טלקום.

עם מגוון רחב של יציאות הספק ונצילות זמינות, מחוללי TEG‏ מביאים ערך לתכנון מערכות על ידי תמיכה בניידות, הפעלה מרחוק והשבת אנרגיה. לצורך בחירה, Same Sky מציעה מודולי TEG‏ בגדלים ודירוגי יציאה שונים כדי להתאים לדרישות תכנון שונות.